Fremtidens solceller kan være printede og ultratynde
Det vil give mening at producere fremtidens organiske solceller i Europa, vurderer to forskere.
organiske_solceller_bygning

Organiske solceller er så tynde og fleksible, at de relativt nemt kan integreres i bygninger. Nu arbejder forskerne på at hæve ydeevnen i stor skala og øge stabiliteten i solcellerne. (Foto: SDU)

Organiske solceller er så tynde og fleksible, at de relativt nemt kan integreres i bygninger. Nu arbejder forskerne på at hæve ydeevnen i stor skala og øge stabiliteten i solcellerne. (Foto: SDU)

I en nær fremtid kan vores vinduer og hustage være dækket med et tyndt, gennemsigtigt lag film, der høster energi fra Solens stråler.

Solcellerne vil være produceret på en form for printer, nærmest ligesom en avis trykkes, og er så fleksible, at de kan sættes på vinduer, krumme bygninger eller biler, for den sags skyld.

De organiske solceller, som denne teknologi kaldes, er inde i en rivende udvikling og begynder efterhånden at nærme sig effektiviteten på de mere traditionelle solceller, der er baseret på silicium.

Særligt i de seneste par år er de organiske solceller accelereret i ydeevne, og i laboratoriet er det muligt at lave en lille solcelle, der kan forvandle 18 procent af Solens stråler til energi. Et tal, som man nu arbejder på at opnå på store solcellearealer.

Fordelene ved organiske solceller er til at få øje på. De er nemlig både billigere og langt mindre energikrævende at producere, beretter SDU-professor Morten Madsen, som er en af de førende forskere på området:

»For 10 år siden var den generelle interesse for organiske solceller mindre, selvom den var til stede i forskningsmiljøerne. Dengang slog vi også på tromme for, at det var en grønnere teknologi end silicium-solceller, men vi blev hele tiden udkonkurreret af, at ydeevnen var for lav. Det argument er blevet sværere at komme frem med, fordi organiske solceller nu har vist, at de kan hæve ydeevnen væsentligt.«

Du har sikkert set de traditionelle silicium-solceller, som skyder op på hustage og i landskabet for at fortrænge kul og gas. De er en vigtig del af omstillingen, men til Videnskab.dk har forskere tidligere kritiseret, at nogle solceller stadig indeholder små mængder af bly i loddematerialet og er svære at genanvende 100 procent.

Det er blandt andet de udfordringer, som forskerne på SDU vil arbejde sig udenom:

»Med organiske solceller undgår vi helt tungmetaller og giftige materialer i det hele taget. Samtidig er materialeforbruget meget mindre, og når vi udvikler moduler, kan vi med de underlag, som solcellerne ligger på, anvende bioplast eller andre genanvendelige materialer,« siger Morten Madsen, der er professor MSO og forskningsleder på Mads Clausen Instituttet på Syddansk Universitet.

Mindre energikrævende

Forskellige typer af solceller


Når Solens lys rammer cellerne, absorberes og samles en procentdel af lyset som energi. Resten reflekteres bort. Hvor stor en del, der bliver omdannet til energi, afgør solcellens effektivitet.

Solceller, der er baseret på silicium, bliver kaldt førstegenerationssolceller. De er mere effektive end andre typer solceller og udgør langt størstedelen af alle de solceller, der bliver solgt på markedet. .

Tyndfilm-baserede solceller bliver kaldt for andengenerationssolceller. De udgør en mindre del af solcellemarkedet.

Der er flere solcelletyper, som man kalder for tredjegenerationssolceller. En af dem er de organiske solceller, som endnu kun produceres i begrænset omfang kommercielt. De organiske solceller vejer kun 500 gram per kvadratmeter - en del mindre end traditionelle siliciumsolcellers vægt på 12 kilo per kvadratmeter.

Hvis vi alene i Danmark skal op og få 10-15 procent af vores strøm fra solceller frem mod 2050, som nogle forskere i Ingeniøren peger på, at vi skal, så bliver vi nødt til at sikre, at bæredygtighed og genanvendelse gennemsyrer de solceller, vi udvikler, mener Morten Madsen. 

Netop her scorer de organiske solceller højt.

»Selve solcellerne er opbygget af kulstof, der er et naturligt materiale, og produktionen af organiske solceller foregår ved temperaturer på maks 100 grader,« forklarer Morten Madsen.

»Det er en stor forskel fra silicium-solceller, da det er rigide plader, som er cirka 1000 gange tykkere og skal op over 1000 grader under fremstillingen, fordi man skal rengøre og krystallisere silicium-materialet, og det er en udfordring. For et materiale, der er meget varmetungt, er også meget energitungt,« fortsætter han.

Ser man på hele livscyklussen for de organiske solceller, er klimaaftrykket væsenligt lavere end for siliciumsolceller, påpeger Morten Madsen. Når man taler energi og vedvarende energikilder, så bruges det mundrette ord energitilbagebetalingstid.

Energitilbagebetalingstid er den tid, som solcellerne er om at producere den samme mængde energi, som blev brugt til deres fremstilling. Den er lav for nogle typer af traditionelle solceller. 

»Men med silicium solceller snakker man over et år, mens man for organiske solceller snakker omkring én måned, man kan potentielt opnå en meget høj genanvendelsesgrad, og print-teknologien gør dem billige at producere,« tilføjer Morten Madsen.

Kan integreres i bygninger

De organiske solcellerne ligner plastfolie. De er ekstremt tynde, meget lette og mulige at bøje. De kan derfor placeres steder, der ikke optager store landarealer.

organiske_solceller_dtu.

Det næste store skridt er at få opskaleret solcelleteknologien. De ligger på omtrent 18 procent i ydeevne i laboratoriet, hvilket svarer til omtrent 12 procent, når de skal op i stor skala. (Foto: SDU)

Skal Europa op og installere mere end 100 gigawatt sol- og vindenergi i nogle år for at udfase olie og kul, som et dansk studie tidligere har regnet sig frem til, vil det kræve, at vi finder plads til solcelleparker. 

En af udfordringerne er imidlertid, at store solcelleparker møder modstand i lokalbefolkningen, påpeger Morten Madsen.

»Den udfordring kan man arbejde sig udenom med organiske solceller, da de kan fremstilles i forskellige farver og også gennemsigtige til vinduer, så man i højere grad kan integrere solcellerne i bygningerne. Dette er også anvendeligt i både landbruget og på drivhuse,« uddyber professoren.

Man kan forestille sig, at de fleksible solceller for eksempel kan klistres på vinduer, soltage eller bruges på drivhuse, således at de bliver et lille kraftværk i sig selv.

Teknik kan gøre solcellerne billigere

For Jens Wenzel, der forsker i organiske solceller på DTU, er det stærkeste argument for organiske solceller ikke, at de kan bøje sig rundt om bygningerne, som nogle arkitekter har peget på.

Han mener, at det giver bedst mening at bruge dem på tage, marker og vinduer, hvor Solens stråler kan ramme hele solcellen.

»Så længe vi har tage og marker til solceller, vil jeg hellere prioritere at sætte dem dér. Jeg synes, den vigtigste motivation for at arbejde med de her solceller er, at de kræver meget mindre energi at fremstille, og de bruger meget lidt materiale,« uddyber professor Jens Wenzel Andreasen fra Institut for Energikonvertering og -lagring på DTU.

»Noget af det vigtigste, man får ud af fleksibiliteten, er, at de kan fremstilles på rulle-rulle, som gør, at man kan bruge trykketeknikker, ligesom man gør med for eksempel aviser. Det er det, der kan være med til at gøre opskalering og fremstillingen billig,« fortsætter Jens Wenzel Andreasen, der også vurderer, at de organiske solceller igen har fået mere opmærksomhed, fordi man er lykkedes med at komme op i ydeevne. 

Professoren peger ligesom Morten Madsen på drivhuse som et idéelt sted at placere organiske solceller, fordi de er gennemsigtige og en bølgelængde af Solens stråler derfor kan trænge igennem til afgrøderne, som så fortsat gror.

På Videnskab.dk har vi tidligere skrevet om et forskningsprojekt, hvordan salathoveder voksede fint under organiske solceller.

fremstilling_organiske_solceller.

Et overblik produktionen af organiske solceller. Ved at fremstille ‘blæk’ der indeholder de aktive materialer i solcellen, kan man bruge standard trykketeknologi til at pålægge et lag på en hel rulle ad gangen. Sådanne rulle-tilrulle-processer gør det muligt at skalere teknologien op, uden det koster mange penge at opføre en stor fabrik. (Illustration: Scalable fabrication of organic solar cells based on non-fullerene acceptors)

Stadig et par knaster

Stort tema i gang


I en serie ser Videnskab.dk nærmere på, hvordan mennesket kan redde verden, blandt andet ved hjælp af grøn energi.

Hvad siger videnskaben?

Du kan få gode råd til at redde verden i vores Facebook-gruppe, hvor du også kan debattere måder at redde verden på.

Morten Madsen bemærker en stigende interesse for organiske solceller, og forskerne har tidligere arbejdet sammen med Danfoss om at få etableret et produktionsanlæg – den såkaldte rulle-rulle printer – på instituttet.

Men der er særligt én afgørende hindring, som stadig skal ryddes af vejen.

De organiske solcellers akilleshæl er stabiliteten. Solcellernes aktive lag er lavet af organiske molekyler, der med tiden nedbrydes af en kombination af solens lys og ilt, og det er blandt andet derfor, at det større kommercielle gennembrud lader vente på sig.

På SDU forskes der i, hvordan kombinationer af nye materialer og kemiske forbindelser kan beskytte solcellerne; for eksempel på samme måde som solcreme forhindrer UV-stråler i at skade vores hud.

»Den overordnede udfordring er stadigvæk levetiden, for det er, hvad virksomhederne skal ud og garantere. Så de skal sikre, at solcellerne stadig virker lang tid nok til den anvendelse der er tiltænkt, og det kan variere fra solcellemateriale til solcellemateriale.«

Skal stå sin prøve i stor skala

På nuværende tidspunkt har industrien arbejdet med en holdbarhed på omtrent 10 år med den ældre generation af organiske solceller, og det arbejder forskerne på at forlænge ved at bruge nye, mere effektive materialer, uddyber Morten Madsen.

Til sammenligning har silicium-solceller en garanteret levetid på omtrent 25-30 år. Jens Wenzel Andreasen peger på et andet vigtigt parameter, som han selv har beskrevet i en videnskabelig artikel:

»Opskalering er vigtigt lige nu. Udfordringen ligger i at komme op på de 18 procents effektivitet på det store areal, som man har set i laboratoriet.«

Morten Madsen understreger, at organiske solceller ikke skal ses som en teknologi, der skal udkonkurrere de traditionelle solceller. Vi får brug for en hulens masse solcelleenergi hurtigst muligt.

Og som det er nu, kan man ikke bare gå ud og flå de organiske solceller ned af hylderne. Det er endnu svært at sige, hvornår det bliver en mulighed.

»Det er stadigvæk en ny teknologi kommercielt, også hvis man kigger på prisen. Før teknologien for alvor kommer op og bliver modnet, så kræver det et prisfald, og den er man først ved at få skudt i gang når det gælder organiske solceller - men det går den rigtige vej,« vurderer Morten Madsen. 

Giver mening at producere i Europa

Med i stort EU-projekt


Solcellegruppen på SDU deltager lige nu også i EU's H2020 projekt, CITYSOLAR.

Her udvikles der netop nye højeffektive solceller til vinduer.

Kilde: Citysolar

I dag er meget den konventionelle silicium solcelleproduktion rykket til Kina, fordi de er billigere at producere dér. Men produktionen af organiske solceller kan potentielt blive på hjemlige breddegrader, vurderer forskerne.

Solcellerne er nemmere og billigere at producere med den såkaldte rulle-rulle teknologi.

»Det åbner en mulighed for en mere lokal og decentraliseret fremstilling af de hér solceller,« påpeger Jens Wenzel Andreasen.

Den betragtning deler Morten Madsen:

»En masse af forskningen og udviklingen af disse organiske solceller er lavet i europæiske lande, heriblandt Danmark, hvor vi allerede har kompetencer og ekspertisen til de højteknologiske rulle-til-rulle tryk processer, som er en grøn og mindre energitung produktionsteknologi.«

 

Red Verden med Videnskab.dk

I en konstruktiv serie ser Videnskab.dk nærmere på, hvordan mennesket kan redde verden.

Vi tager fat på en lang række emner – fra atomkraft og indsatser for at redde dyrene til, om det giver bedst mening bare at spise mindre kød.

Hvad siger videnskaben? Hvad kan man selv gøre hjemme fra sofaen for at gøre en forskel?

Du kan få mange gode tips og råd i vores Facebook-gruppe, hvor du også kan være med i overvejelser om artikler eller debattere måder at redde verden på.

Videnskab.dk Podcast

Lyt til vores seneste podcast herunder eller via en podcast-app på din smartphone.

Ny video fra Tjek

Tjek er en YouTube-kanal om videnskab henvendt til unge.

Indholdet på kanalen bliver produceret af Videnskab.dk's videojournalister med samme journalistiske arbejdsgange, som bliver anvendt på Videnskab.dk.

Ugens videnskabsbillede

Se flere forskningsfotos på Instagram, og læs om, hvorfor denne 'sort hul'-illusion narrer din hjerne.

Hej! Vi vil gerne fortælle dig lidt om os selv

Nu hvor du er nået helt herned på vores hjemmeside, er det vist på tide, at vi introducerer os.

Vi hedder Videnskab.dk, kom til verden i 2008 og er siden vokset til at blive Danmarks største videnskabsmedie med over en halv million brugere om måneden.

Vores uafhængige redaktion leverer dagligt gratis forskningsnyheder og andet prisvindende indhold, der med solidt afsæt i videnskabens verden forsøger at give dig aha-oplevelser og væbne dig mod misinformation.

Vores journalister fortæller historier om både kultur, astronomi, sundhed, klima, filosofi og al anden god videnskab indimellem - i form af artikler, podcasts, YouTube-videoer og indhold på sociale medier.

Vi stiller meget høje krav til, hvordan vi finder og laver vores historier. Vi har lavet et manifest med gode råd til at finde troværdig information, og vi modtog i 2021 en fornem pris for vores guide til god, kritisk videnskabsjournalistik.

Vores redaktion gør en dyd ud af at få uafhængige forskere til at bedømme betydningen af nye studier, og alle interviewede forskere citat- og faktatjekker vores artikler før publicering.

Hvis du går rundt og undrer dig over stort eller småt, vil vi elske at høre fra dig og forsøge at give dig svar med forskernes hjælp. Send bare dit spørgsmål til vores brevkasse Spørg Videnskaben.

Vi håber, at du vil følge med i forskningens forunderlige opdagelser her på Videnskab.dk.

Få et af vores gratis nyhedsbreve sendt til din indbakke. Du kan også følge os på sociale medier: Facebook, Twitter, Instagram, YouTube eller LinkedIn.

Med venlig hilsen

Videnskab.dk